Текст книги "Жидкости"

Добыча кашалота. Джон Уильям Хилл (1835). © Yale University Art Gallery

Китовая ворвань получается при кипячении полос китового жира. Масло, которое вываривается из него, отличается чистым медовым цветом. Оно не слишком хорошо подходит для готовки или собственно в пищу из-за сильного рыбного запаха, но имеет низкую вязкость, а точка возгорания у него равна 230°C. Поэтому ворвань очень хороша для масляных ламп.

Использование ворвани в лампах Арганда резко подскочило в конце XVIII в., особенно в Европе и Северной Америке. В 1770–1775 гг. китобои Массачусетса, пытаясь удовлетворить растущий спрос, производили по 45 000 бочек китовой ворвани ежегодно. Охота, подпитываемая нуждой во внутреннем освещении, стала настоящей индустрией, и некоторые виды китов оказались почти полностью истреблены ради удовлетворения этой потребности. По разным оценкам, к началу XIX в. ради добычи жира было убито более четверти миллиона китов.

Долго так продолжаться не могло, но потребность во внутреннем освещении по-прежнему росла. Население увеличивалось и богатело, всё большее значение придавалось образованию, культура чтения и развлечений после наступления темноты входила в массы, так что спрос на масла только рос. Одновременно усиливалось и давление на изобретателей и ученых, которые должны были предложить способ удовлетворения этой потребности. Среди них был и Джеймс Янг, шотландский химик, который в 1848 г. нашел способ получения из угля жидкости, прекрасно подходившей для лампы. Он назвал ее парафиновым маслом. Канадский изобретатель Авраам Геснер проделал то же и назвал свою жидкость керосином. Эти открытия могли и не привести к серьезным результатам, однако сделаны они были перед самым началом Гражданской войны в Америке. Китобойные суда стали мишенью для военных кораблей, а налоги на другие виды ламповых масел дали керосиновой промышленности удачную возможность для старта. Однако реальный прорыв произошел только тогда, когда изобретатели начали возиться не с углем, а с сырой нефтью, которую можно было обнаружить возле угольных шахт. Ее приходилось выкачивать из земли, это черная, пахучая, липкая субстанция. Но, прежде чем ее применить, пришлось освоить дистилляцию – старый фокус, впервые использованный еще ар-Рази и оказавшийся чрезвычайно выгодным. Теперь джинна действительно выпустили из бутылки.

Тем временем на борту моего самолета по-прежнему не было сказано ни слова о керосине. Инструктаж по безопасности дошел до пункта об аварийных выходах, и один из проводников встал в проходе и развел руки с растопыренными пальцами, указывая нам их расположение. Мне сказали, что позади меня два таких выхода, и впереди два, и еще два над крыльями. Мне хотелось добавить: «А еще 50 000 литров керосина в баке у нас под ногами и по столько же в каждом из крыльев лайнера». Должно быть, я пробормотал что-то себе под нос, поскольку привлек внимание соседки, которую, как я позже выяснил, звали Сьюзен. Впервые после посадки в самолет она подняла голову от книги. На мгновение она встретилась со мной глазами поверх очков в красной оправе, затем вернулась к чтению. Ее взгляд хотя и длился меньше секунды, но успел сказать мне очень многое. Он говорил: «Расслабьтесь. Самолет – самое безопасное средство перемещения на большие расстояния. Знаете ли вы, что каждый день больше миллиона людей летает в стратосфере и шансы на то, что произойдет что-то плохое, мизерные? Нет, даже меньше. Сядьте поудобнее. Расслабьтесь. Почитайте книгу». Я понимаю, что здесь очень много информации для передачи взглядом, но поверьте мне, ее короткий взгляд сказал мне всё это.

Нефтеперегонный завод; высокие колонны – дистилляционные сосуды. © Kyle Pearce

К счастью или нет, но я не мог думать ни о чем, кроме керосина – и замечательного фокуса, который изобретатели середины XIX в. использовали для переработки сырой нефти: метода перегонки. Ар-Рази для этого применял аппарат, известный как аламбик, – примерно то же, что мы сегодня называем дистилляционными, или ректификационными, сосудами. Это те самые колонны, которые торчат вверх из всех нефтеперегонных заводов.

Сырая нефть – смесь углеводородных молекул различной формы: и длинных, как спагетти, и более компактных, и замкнутых в кольца. Хребет каждой такой молекулы состоит из атомов углерода, связанных последовательно в цепочку. С каждым атомом углерода связаны также два атома водорода, при этом есть множество вариантов молекул, различающихся формой и размерами: атомов углерода в молекуле может быть от пяти до нескольких сотен штук. Молекул с числом атомов углерода меньше пяти очень мало, потому что они склонны существовать в форме газов: это метан, этан и бутан. Чем длиннее молекула, тем выше температура кипения вещества – и вероятность того, что при комнатной температуре оно будет жидкостью. Это верно для углеводородных молекул с числом атомов углерода примерно до сорока. Если молекула еще больше, то она практически не может плавать, и вещество становится смолой.

Смесь углеводородных молекул в составе сырой нефти (показаны только атомы углерода)

При перегонке сырой нефти первыми выделяются самые маленькие молекулы. Молекулы углеводорода с числом атомов углерода от пяти до восьми образуют светлую прозрачную и чрезвычайно горючую жидкость. Точка возгорания для нее равна –45°C, то есть даже при минусовых температурах она легко вспыхивает. Так легко, что заливать ее в масляную лампу опасно. Поэтому в самом начале развития нефтяной промышленности эту жидкость считали отходом производства и выбрасывали. Позже, когда мы лучше разобрались в ее достоинствах, мы ее оценили – особенно за то, что, если ее смешать с воздухом и поджечь, она дает достаточно горячего газа, чтобы двигать поршень машины. Позже ее назвали бензином и начали использовать как топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Более крупные молекулы с числом атомов углерода 9–21 образуют прозрачную светлую жидкость с более высокой температурой кипения. Она испаряется медленно, ее не так просто поджечь. Но поскольку каждая молекула в ней довольно велика, если реакция с кислородом всё же возникает, энергии в ней выделяется много, причем в виде горячего газа. Однако жидкость не загорится, если ее не впрыснуть в воздух; кроме того, ее можно сжать до высокой плотности, прежде чем она самопроизвольно вспыхнет. Именно этот принцип открыл в 1897 г. Рудольф Дизель, имя которого в итоге получила жидкость, ставшая основой его грандиозного изобретения – самого успешного двигателя XX столетия.

Но во времена младенчества нефтяной отрасли, в середине XIX в., дизельный двигатель еще не был изобретен, зато имелась настоятельная потребность в горючей жидкости для масляных ламп. И производители создали жидкость, в которой молекулы содержали по шесть – шестнадцать атомов углерода. Она где-то посередине между бензином и дизельным топливом. Имеет достоинства дизельного топлива – не испаряется настолько быстро, чтобы образовывать взрывоопасные смеси, – но при этом с очень низкой вязкостью, близкой к вязкости воды. Капиллярное поднятие у нее проходит великолепно, что позволяет пламени гореть очень ярко. Жидкость оказалась дешевой и эффективной и не требовала для производства оливковых рощ или китов. Это был керосин – идеальное ламповое масло.

Но безопасен ли он? На какое-то время мое сознание отвлеклось от происходящего – я пытался расслабиться, следуя невысказанному совету Сьюзен, – но теперь внимание вновь переключилось на бортпроводников. Они, продолжая инструктаж по безопасности, перешли к рассказу о спасательных жилетах. На каждом из них уже был такой жилет, и проводники делали вид, что свистят в свисток. Я представил себе, каково это – выжить при аварийной посадке на воду и оказаться в море, возможно ночью, пытаясь свистеть. Я также подумал о том, что происходит с керосином в баках самолета в случае такой посадки. Может ли он взорваться?

Структурная формула молекулы нитроглицерина

Мне известна по крайней мере одна жидкость, которая точно могла бы взорваться в таких обстоятельствах: нитроглицерин. Как и керосин, он бесцветный, прозрачный и маслянистый. Первым его синтезировал итальянский химик Асканио Собреро в 1847 г. Он не убил создателя – чудо, если учесть, что это невероятно опасное и нестабильное химическое вещество, вполне способное неожиданно взорваться. Асканио был так напуган возможными перспективами использования этого химиката, что год не сообщал о своем открытии, да и потом пытался удержать других химиков от изготовления опасного вещества. Но его ученик Альфред Нобель сумел разглядеть потенциал изобретения; Нобель решил, что оно может заменить порох. Со временем ему удалось привести нитроглицерин в относительно безопасную форму. Альфред превратил жидкость в твердое вещество, которое уже не склонно случайно взрываться (хотя и убило его брата Эмиля), и создал динамит. Изобретение Нобеля перевернуло горную промышленность и обогатило создателя. До динамита горнодобывающие компании вынуждены были полагаться на ручной труд: туннели, выработки и шахты копали вручную. Свое состояние – по крайней мере, его часть – Нобель использовал для учреждения самой известной в мире международной премии.

Как и бензин, дизельное топливо и керосин, нитроглицерин состоит из углерода и водорода. Но в нем есть и добавки: атомы кислорода и азота. Их присутствие и положение в молекуле делают нитроглицерин нестабильным. Если молекула оказывается под давлением в результате контакта с чем-то или вибрации, она легко распадается. Тогда атомы азота собираются вместе и образуют газ, а атомы кислорода реагируют с углеродом и образуют диоксид углерода (CO₂), или углекислый газ. Они также реагируют с водородом, образуя пар, а из того, что остается, получается дополнительный газ – кислород. Распадаясь, молекула создает в нитроглицерине ударную волну, которая вызывает распад соседних молекул, что создает еще больше газа и поддерживает волну. В итоге все молекулы вещества распадаются в результате цепной реакции, которая идет со скоростью, в тридцать раз превышающей скорость звука, и почти мгновенно превращает жидкость в горячий газ. Объем газа тысячекратно превосходит объем жидкости, поэтому он стремительно расширяется, вызывая сильнейший тепловой взрыв. Очень многие разрушения Второй мировой войны объясняются широким использованием взрывчатых веществ на основе нитроглицерина.

Ограничение в 100 мл на количество жидкости, разрешенное к провозу в авиалайнерах, придумано для того, чтобы не дать злоумышленнику пронести на борт достаточно жидкой взрывчатки, такой как нитроглицерин, чтобы разрушить самолет. Вещество все равно взорвется, конечно, но энергии будет недостаточно, чтобы самолет упал. Однако мысль о том, что в одном литре керосина содержится в десять раз больше энергии, чем в литре нитроглицерина, а в топливных баках самолета этого керосина десятки тысяч литров, действует отрезвляюще.

Но керосин – не взрывчатка, он не умеет спонтанно взрываться. В отличие от нитроглицерина, у него в структуре молекулы нет атомов ни кислорода, ни азота. Это стабильная молекула, которая не распадается так легко. Керосин можно бить, давить, в нем можно даже купаться – он не взорвется. Он мощнее нитроглицерина, но если вы хотите обуздать его, то вам, в отличие от случая с нитроглицерином, придется потрудиться: нужно заставить его реагировать с кислородом. При реакции керосина и кислорода образуется CO₂ и водяной пар, но, поскольку скорость реакции ограничена доступом к кислороду, воспламенение можно контролировать.

Мощь керосина и наша способность управляемо сжигать его придают этой жидкости такое важное технологическое значение. Сейчас земная цивилизация сжигает примерно миллиард литров керосина в день, в основном в реактивных двигателях и космических ракетах, но во многих странах он и сегодня используется для освещения и обогрева. В Индии, например, больше 300 млн человек освещают свои дома керосиновыми лампами.

И все же, как бы нас ни грела мысль о том, что мы научились управлять керосином, у него есть темная сторона. Ужасы 11 сентября 2001 г. тому пример. В тот день я был дома перед телевизором и неверяще глядел в экран. По правде говоря, не могу вспомнить, видел ли я, как второй самолет врезался в одну из башен-близнецов, в прямом эфире или в каком-то выпуске новостей, но я был ошеломлен. Я стоял, тупо глядя в телик и пытаясь осмыслить происходящее. Оба здания горели, поступали сообщения и о самолетах, направляемых на цели где-то еще. Думал, хуже уже быть не может. Оказалось, может: первая башня рухнула, сложившись внутрь будто в замедленной съемке, как умеют только гигантские объекты. А потом упала и вторая. Мы уже были готовы к этому, но подействовало все равно оглушающе.

Обрушило башни не что-нибудь, а топливо из самолета. Взрыва не было, ведь керосин стабилен. Согласно докладу ФБР, керосин реагировал с кислородом из ветров, продувавших насквозь поврежденные этажи, в результате чего температура там поднялась до более чем 800°C. Это не расплавило стальной каркас здания – сталь плавится при температурах выше 1500°C. Но при 800°C ее прочность снижается примерно наполовину, и она начала деформироваться. Стоило одному этажу искривиться, и всё здание над ним обрушилось на этаж ниже, заставив его деформироваться, и так далее, как в карточном домике. Всего при падении башен-близнецов погибло более 2700 человек, включая 343 пожарных Нью-Йорка. Эти террористические атаки стали значимым моментом в мировой истории: не только потому, что они повлекли за собой войны и присущие им ужасы, но и потому, что падение башен стало мощным символом хрупкости демократической цивилизации. А активным участником разрушения стал керосин из самолетов.

Так что вы понимаете, почему я говорю, что его вполне могли бы упомянуть во время инструктажа по безопасности. Но он закончился, и никто не сказал ни слова о 150 000 литров керосина на борту, как не упомянул и о его двойственной природе: о том, что, с одной стороны, это обычное прозрачное масло, настолько стабильное, что, если бросить зажженную спичку в топливный бак, оно не загорится; а с другой – в смеси с достаточным количеством кислорода оно становится в десять раз мощнее, чем знаменитая взрывчатка нитроглицерин. Мою соседку Сьюзен всё это, казалось, совсем не беспокоило; она по-прежнему была с головой погружена в свою книгу.

Хотя керосин и не упоминается напрямую во время предполетного инструктажа по безопасности, мне подумалось, что он неявно там фигурирует. Ведь инструктаж, если подумать, – единый всемирный ритуал, который объединяет всех нас независимо от расы, национальности, пола или религиозной принадлежности. Мы все принимаем в нем участие, прежде чем керосин будет подожжен и самолет взлетит. Опасности, о которых предупреждают нас бортпроводники, такие как посадка на воду, встречаются настолько редко, что, даже если вы будете летать каждый день на протяжении всей жизни, вам вряд ли удастся когда-нибудь встретиться с ними. Так что дело на самом деле не в них. Но, как во всех ритуалах, здесь используется шифр и ряд специальных действий, а также особый реквизит. В религиозных ритуалах в качестве такового часто выступают свечи, кадильницы и чаши; в предполетном ритуале, связанном с безопасностью, это кислородные маски, спасательные жилеты и ремни безопасности. На самом же деле он должен сообщить вам следующее: вы собираетесь совершить нечто очень опасное, но инженеры сделали это почти совсем безопасным. Это «почти» подчеркивается тщательно продуманными действиями с упомянутым выше реквизитом. Ритуал проводит четкую границу между нормальной жизнью, где ваша безопасность зависит от вас самих, и нынешней, в которой вы передаете контроль над ней группе лиц с инженерными системами. Эти люди обуздывают и заставляют работать одну из самых мощных жидкостей на планете ради того, чтобы стремительно пронести вас сквозь атмосферу и доставить на место назначения. Иными словами, вы должны доверять этим людям полностью, ваша жизнь в их руках; так что ритуал перед полетом на самом деле представляет собой церемонию передачи доверия.

Когда бортпроводники двинулись по проходам, нарочито тщательно проверяя, правильно ли застегнуты ремни и убраны ли вещи, я понял, что ритуал подходит к концу – это было, так сказать, завершающее благословение. Я серьезно и понимающе кивнул подошедшей бортпроводнице. Лайнер выехал на взлетную полосу и начал взлет – экипаж готовился привлечь знания, накопленные более чем за тысячу лет, и превратить жидкий керосин в полет.

Если вы когда-нибудь надували шарик, а затем отпускали его и смотрели, как он хаотичными зигзагами носится по комнате, вам нетрудно будет понять, как работает реактивный двигатель. Когда сжатый воздух вырывается из шарика с одной стороны, сам он под действием этого потока летит в другую: это третий закон Ньютона, который гласит, что каждое действие вызывает равное по величине и противоположное по знаку противодействие. Но идея запасти достаточно сжатого воздуха, чтобы он мог толкать авиалайнер, была бы совершенно неэффективна; к счастью, британский инженер Фрэнк Уиттл придумал, как решить эту проблему. Он рассудил, что, поскольку в небе и так полно газа, самолету нет нужды везти его с собой; достаточно сжимать тот газ, который уже есть в небе и сквозь который вы летите, и выбрасывать его назад. Необходима только машина для сжатия воздуха. Именно этот компрессор вы видите под крылом, когда садитесь в самолет: он похож на громадный вентилятор и является таковым, но при этом вы не видите, что внутри кожуха есть еще десяток или больше вентиляторов, каждый следующий меньше предыдущего. Их задача – засасывать внутрь воздух и сжимать его. Оттуда он поступает в камеру сгорания, расположенную в середине двигателя, где смешивается с керосином и поджигается, давая при этом струю раскаленного газа, которая выбрасывается из двигателя назад. Гениальность конструкции в том, что по пути наружу воздух отдает часть энергии на вращение комплекта турбин – тех самых, что приводят в действие компрессоры передней части двигателя. Иными словами, двигатель отбирает энергию у горячего газа, а потом, летя по небу, использует ее для сбора и сжатия следующих порций воздуха.

Воздух, мощно выбрасываемый из двигателя сзади, позволил нашему авиалайнеру весом около 250 тонн набрать скорость. Глядя на окружающий мир из окна разгоняющегося самолета, очень трудно почувствовать, как быстро он движется. Крылья подскакивают и начинают неуклюже качаться на каждом ухабе взлетной полосы; в этот момент они даже отдаленно не напоминают тот шедевр инженерной элегантности, которым станут после отрыва от земли. На скорости 130 км/ч внутренности салона начинают дребезжать и как будто даже стонать; звуки и вибрация постепенно усиливаются, вызывая тревогу. Если бы я никогда прежде не летал на самолетах, в этот момент я сильно усомнился бы в том, что мы когда-нибудь оторвемся от земли.

И все же чистая, воплощенная в керосине энергия разгоняет самолет всё сильнее; топливо более мощное, чем нитроглицерин, расходуется со скоростью 4 л/с. К этому моменту наш лайнер разогнался уже до 260 км/ч и быстро приближался к концу трехкилометровой полосы. Наступил, пожалуй, самый опасный момент полета. Полосы совсем немного, и мы, если не взлетим в ближайшее время, съедем с нее и врежемся в стоящие за ней здания, имея в топливных баках многие тысячи литров керосина. И все же волшебным образом мы, подобно гусю, взлетающему с озера, вскарабкались в небо, оставив за несколько секунд внизу на земле и здания, и машины, и людей. Этот момент я больше всего люблю в полетах, особенно когда самолет пронзает низкие лондонские облака и поднимается выше, под яркое солнце, как и было в тот день. В такие моменты ощущаешь себя так, будто выходишь в параллельный мир, и я никогда не устаю от этого.

Самолет – в каком-то смысле волшебная лампа современности. Ее джинн – керосин – готов исполнить ваше желание и доставить вас в любую точку мира. Туда вы, как и полагается, полетите – правда, не на ковре, а просто на самолете. Но это даже лучше, ведь салон защитит вас от сильного холода и ветра, и он достаточно удобен, чтобы вы могли в нем отдохнуть или даже поспать во время путешествия.

Конечно, у нашего джинна, как у всех духов, есть темная сторона. Мы успели уже полюбить мощь керосина, но воздушные перелеты – как и вообще использование продуктов переработки сырой нефти – нарушают климатическое равновесие: на Земле быстро теплеет из-за выбросов диоксида углерода при сжигании всевозможных масел, таких как керосин. Все жители планеты вместе сейчас потребляют 16 млрд л нефти в день. Хватит ли нам ума, чтобы найти способ загнать джинна обратно в бутылку? Это один из важнейших вопросов XXI столетия.

Но, оказавшись над облаками, я, откровенно говоря, не думал об этом. Я восхищенно любовался облачными пейзажами и с нетерпением ждал, когда же бортпроводник, который уже появился в проходе со своей весело дребезжащей тележкой, подойдет ко мне и предложит выпить.